1.2 光电控制系统结构

光电控制系统是集测控对象、光电传感器检测、数字控制器、通信系统和控制执行（驱动）机构于一体的综合测控系统，基本结构如图1-1所示。

图1-1 光电控制系统基本结构图

光电开关是一种位置检测装置，通常分为发射器和接收器两部分。工作状态下，发射器发出调制光，受到待检测物体的反射或阻断时，会造成接收器入射光强度的变化，从而引起输出电流的变化，经信号处理改变输出开关状态即可达到检测目的。光电开关属于无接触式位置传感器，其输入与输出之间没有电磁联系。相对于接触式测量，光电开关寿命长，抗电磁干扰能力强。按封装方式，光电开关可分为自包含式、光纤式、远距式；按扫描方式，光电开关可分为对射式、漫反射式、镜反射式、槽式、光纤式和远距式。光电开关早期主要在工业自动化中用于检测物体是否存在，近年来应用范围扩大到物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、安全防护、安全警戒、远程供电、信息传递等。先进制造技术的广泛应用对光电开关的性能提出了新的要求，主要是检测距离远，精度高，抗干扰能力强，成本低，可大规模生产，开关速度快，安装维护方便等。传统的光电开关需要改进以适应新需求，远程控制技术的引进是重要研究方向。

（1）光源

光电开关最早使用白炽灯作为光源，后采用红外LED。LED为非相干性光源，照射到10～20m处时，光斑直径大到20cm以上，能量已经非常分散，故现在倾向于采用激光作为光源。激光是强相干性光源，能量集中，投射到500m外，光斑直径仍然只有100mm。使用激光做光源的光电开关除具有一般光电开关的功能外，还有以下特点。

① 检测距离可达数千米。

② 可实现高精度定位控制和高速运动微小目标的检测。

③ 适应不同要求，有多种波长的激光光源可供使用。

目前的激光二极管体积、阈值电流、工作电流越来越小，已进入实用阶段，国外的Sick， Banner，Siemens等公司已有成熟的系列产品。例如，Siemens的L18系列使用二级激光，最大辐射能量为0.1mW，可以检测80cm距离直径0.33mm的物体，或是直径小于0.1mm的软线。

（2）集成度

目前，光电开关倾向于采用专用集成电路（ASIC）以提高集成度。采用ASIC的光电开关反应速度快，可达10kHz，抗冲击、震动能力强，抗干扰能力强，符合EMC标准，并能满足小型化、低成本以及规模化生产等要求。但光电开关的维护、参数设置仍然需要手动进行，一旦更换，还要重新手动设置、校准。因而光电开关通常安装在易于操作的位置，但却不是最佳位置，且安装空间不能太小，这就制约了机器结构、外形、体积的最优化设计。现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备和高级控制系统之间的信息传递问题，代表了工业控制中信息传递和交换的趋势。现场总线的发展要求光电开关能够远程非手动控制，传统光电开关无法满足这一要求。传统光电开关不能直接应用于现场总线，必须通过AS-I等接口或是I/O模块等接入现场总线。控制系统只能单纯地了解光电开关的状态信息，不能对光电开关进行参数配置、故障诊断等。如果光电开关改进成全电子器件，就可通过一个HUB直接应用于现场总线（如图1-2所示），与控制系统双向通信，并通过远程控制室观察或联系，可以操作、交换数据，设置参数等，从而使光电开关的安装、调试、运行、维护更易于进行。这种新型光电开关就是信息型光电开关。

图1-2 接入总线的传感器

信息型光电开关通过传感器 HUB 直接与现场总线相连，如同一个有确切地址的现场总线底层器件，可在控制室或机器控制板上观察其运行情况，同它通信并进行操作。参数被复制并存储在机器控制系统中，需要时可通过传感器HUB调出。主站可诊断光电开关工作是否正常，可对光电开关远程诊断、调试、设置及交换数据，无须手动进行。如果更换光电开关，只需直接从控制器下载存储数据，新的光电开关即可使用。

信息型光电开关应为全电子器件，这样才既可手工操作，又可在线设定。传统光电开关的一些需机械调节的功能（如校准、调试、参数设置等），必须可电子调节。这里用参数设置中的背景遮蔽为例进行说明。为了克服环境光的干扰，光电开关采用调制技术，对发光管通以一定频率的调制脉冲电流，使发光管发出调制光，以增加有效作用距离并提高抗干扰能力。但光电开关自身发出的或邻近光电开关发出的调制光，经反射后可能为光电开关接收，这会引起误动作。要解决这一问题，可为光电开关设定扫描距离，扫描距离之外的反射光无效，这就是背景遮蔽。以漫反射型光电开关为例，图1-3所示为机械式设置扫描距离的工作原理示意图，采用一个位置可调节的透镜和两个接收器来调节背景遮蔽的距离。L 为设定的扫描距离。光电开关的发射器射出一束光，被物体A和背景B所反射。借助接收透镜，接收器R2接收物体反射的光，而 R1接收背景所反射的光，分别产生不同的电流 I1和 I2。当 I1＜I2时，即检测物体在扫描距离之内时，光电开关动作。当设定不同的背景遮蔽距离时，需要调节透镜位置以接收不同位置的光，这需要手工调节。

图1-3 背景遮蔽工作原理

电动调节采用位置传感监测器（Position Sensitive Device，PSD）代替接收器的光敏三极管。当有光射入时，位置传感监测器（PSD）两端会产生两个电流I1和I2，入射光在PSD上的位置与这两个电流有对应的关系。位置传感监测器PSD工作原理如图1-4所示。入射光距离可以利用三角测量的原理来判断。距离S=Zf/（XB-L/2）。其中，f为透镜的焦距，Z为两个透镜的中心距，L 为受光元件长度。原有的用以手动调节遮蔽距离的机械式电位计换成相同量程的数字电位计，通过控制器改变其阻值，即可实现背景遮蔽距离的在线设定。前景遮蔽也可以类似处理。

图1-4 位置传感监测器PSD工作原理